Метаболические пути. KEGG.

Задача - определить, существует ли заданный фрагмент метаболических путей.

1. Поиск графических формул и идентификаторов заданных низкомолекулярных веществ в KEGG.

   Исследуемый процесс - деградация треонина до пирувата.
   На главной страничке Биоинформатического Центра Института Химический Исследований Университета Киото найдена ссылка на БД химических соединений и реакций: LIGAND → COMPOUND (содержит структуры низкомолекулярных веществ, участвующих в биохимических процессах) → поле запроса. Поиск ведется по названию вещества (threonine и pyruvate - начальное и конечное вещества метаболического пути). В результате поиска выдается список ссылок на документы, содержащие информацию о искомом веществе и различных его производных. Полученные записи для двух веществ:

   Название вещества	Название вещества (английский вариант)	Идентификатор документа	Изображение
   треонин	threonine L-Threonine; 2-Amino-3-hydroxybutyric acid	C00188
   пируват	pyruvate Pyruvic acid; 2-Oxopropanoate; 2-Oxopropanoic acid; Pyroracemic acid	C00022

   Кроме этой информации, в найденных документах содержится информация о трехмерной структуре вещества; брутто-формула (поле Formula); молекулярная масса (поле Mass); приведены списки химических реакций (поле Reaction), метаболических путей (Pathway) с участием данного вещества; есть списки ферментов ( Enzyme ), работающих с веществом; приводятся ссылки на другие БД.

2. Поиск метаболического пути. Выделение цветом пути превращения заданных веществ.

   На главной страничке выбирается ссылка на таблицу-оглавление ("Table of contents"). В оглавлении выбирается программа "Color objects in pathways" (поле KEGG Pathway)- программа для раскрашивания объектов на метаболических картах. В поле запроса вводятся найденные идентификаторы соединений с указанием, что нужно отметить их красным цветом:

   cpd:C00022 red
   cpd:C00188 red

   В результате выдается список карт метаболических путей, в которых задействованы оба указанных соединения. Интересующий путь - map00260 Glycine, serine and threonine metabolism (треонин и пируват на карте отмечены красным; стрелочки в схеме направлены в обе стороны).

   Hа карте найдена цепочка ферментативных реакций для заданного превращения ("превращение" треонина в пируват). Кратчайший путь между данными веществами включает в себя три стадии (см. далее). Необходимо выделить желтым цветом на карте те ферменты, которые катализируют реакции рассматриваемого пути. Для этого составляется такой запрос:

   ec:4.1.2.5 yellow
   ec:2.1.2.1 yellow
   ec:4.3.1.17 yellow
   ec:4.3.1.19 yellow
   cpd:C00022 red
   cpd:C00188 red

   Итак, далее приводится

   фрагмент метаболической карты map00260 (= метаболизм глицина, серина, треонина), отражающий кратчайший путь деградации треонина до пирувата:

   

   Вот еще фрагмент все той же карты, но содержащий все реакции "в окружении":

   

3. Исследование выбранного метаболического пути.

   • Общее число этапов равно 3. Карта была переведена в режим "Reference pathway (Reaction)", а затем каждый этап был описан в предлагаемом формате (в виде таблицы):

     Возможный путь деградации треонина до пирувата.

     Этап	Ферментативная реакция	Фермент
     1	L-Threonine <=> Glycine + Acetaldehyde	EC 4.1.2.5
     2	5,10-Methylenetetrahydrofolate + Glycine + H2O <=> Tetrahydrofolate + L-Serine	EC 2.1.2.1
     3	L-Serine <=> Pyruvate + NH3	EC 4.3.1.17 EC 4.3.1.19

     
     Действительно, за 3 этапа происходит переход от треонина до пирувата (получилась цепочка реакций).
     Что интересно:

     • во-первых, "<=>" в уравнениях реакций: данное обозначение "не постулирует" обратимость реакции - таковы правила записи в KEGG. О том, что реакция необратима, с уверенностью можно говорить в том случае, если на карте метаболического пути для соответствующей реакции стоит однонаправленная стрелочка ("присвоена" куратором).

     • во-вторых, для последнего этапа - образование пирувата и аммиака из серина - указаны 2 фермента: 4.3.1.17 и 4.3.1.19. Это L-серин аммоний лиазы;
       причем помимо рассматриваемого процесса, 4.3.1.17 участвует в метаболизме цистеина ( карта map00272), а фермент 4.3.1.19 - в биосинтезе валина, лейцина и изолейцина ( map00290; но это отображено и на рассматриваемой карте map00260 - разложение треонина с образованием 2-оксобутаноата, необходимого для синтеза валина, лейцина, изолейцина [L-threonine = 2-oxobutanoate + NH3 - необратимая реакция]).

   • Теперь нужно определить, возможна ли выбранная цепочка реакций у конкретных организмов (человек, 2 бактерии, представитель архей); для этого нужно выбрать Рathway для конкретных организмов. На основании полученных карт (имеющиеся ферменты на "поорганизменных" картах выделяются ментоловым (зеленым) цветом) заполняется таблица следующего вида:

     Организм	Возможна ли деградация треонина до пирувата по данным KEGG ? (Да/нет)	Краткое обоснование
     Homo sapiens	нет	отсутствуют ферменты, катализирующие 1 и 3 стадии (соответственно, нет ферментов EC 4.1.2.5 и EC 4.3.1.19 (! - но для 3ей стадии есть фермент EC 4.3.1.17))
     Escherichia coli	да	есть ферменты, катализирующие все 3 стадии (EC 4.1.2.5, EC 2.1.2.1, EC 4.3.1.17, EC 4.3.1.19)
     Pseudomonas aeruginosa PAO1	да	есть ферменты, катализирующие все 3 стадии (EC 4.1.2.5, EC 2.1.2.1, EC 4.3.1.17, EC 4.3.1.19)
     Methanococcus janaschii	нет	отсутствуют полностью ферменты, катализирующие 1 и 3 стадии (соответственно, нет ферментов EC 4.1.2.5, EC 4.3.1.17, EC 4.3.1.19)

   Итак, для бактерий выбранный путь оказался "реальным"; в случае человека и археи - неосуществимым из-за отсутствия ряда ключевых ферментов. Однако это не свидетельствует о том, что, к примеру, у человека, деградация треонина до пирувата невозможна. Просто путь такой деградации может быть и другим (с участием других ферментов); либо нужно учитывать, что реконструкция метаболических путей - второй этап аннотации, он следует после аннотации конкретных генов, и поэтому может запаздывать.

   

   (механизм (! в сущности тот же), приведенный в "Биохимии человека" Р.Марри, Д.Греннер, П.Мейес, В.Родуэл; изд-во "Мир")