Purpose: This review aims at introducing 3 modeling approaches classified into 3 categories based on the purpose (estimation or prediction), structure (linear or non-linear) and phase (steady-state or dynamic-state); 1) statistical approaches, 2) kinetic modeling and 3) mechanistic modeling. We hope that this review can be a useful guide in the model-based approach of calcium metabolism as well as illustrates an application of engineering tools in studying biosystems. Background: The meaning of biosystems has been expanded, including agricultural/food system as well as biological systems like genes, cells and metabolisms. This expansion has required a useful tool for assessing the biosystems and modeling has arisen as a method that satisfies the current inquiry. To suit for the flow of the era, examining the system which is a little bit far from the traditional biosystems may be interesting issue, which can enlarge our insights and provide new ideas for prospective biosystem-researches. Herein, calcium metabolic models reviewed as an example of application of modeling approaches into the biosystems. Review: Calcium is an essential nutrient widely involved in animal and human metabolism including bone mineralization and signaling pathways. For this reason, the calcium metabolic system has been studied in various research fields of academia and industries. To study calcium metabolism, model-based system analyses have been utilized according to the purpose, subject characteristics, metabolic sites of interest, and experimental design. Either individual metabolic pathways or a whole homeostasis has been modeled in a number of studies.
Seo, Dae-Yun;Lee, Sung-Ryul;Figueroa, Arturo;Kim, Hyoung-Kyu;Baek, Yeong-Ho;Kwak, Yi-Sub;Kim, Na-Ri;Choi, Tae-Hoon;Rhee, Byoung-Doo;Ko, Kyung-Soo;Park, Byung-Joo;Park, Song-Young;Han, Jin
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제16권3호
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pp.175-180
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2012
Yoga has been known to have stimulatory or inhibitory effects on the metabolic parameters and to be uncomplicated therapy for obesity. The purpose of the present study was to test the effect of an 8-week of yoga-asana training on body composition, lipid profile, and insulin resistance (IR) in obese adolescent boys. Twenty volunteers with body mass index (BMI) greater than the 95th percentile were randomly assigned to yoga (age $14.7{\pm}0.5$ years, n=10) and control groups (age $14.6{\pm}1.0$ years, n=10). The yoga group performed exercises three times per week at 40~60% of heart-rate reserve (HRR) for 8 weeks. IR was determined with the homeostasis model assessment of insulin resistance (HOMA-IR). After yoga training, body weight, BMI, fat mass (FM), and body fat % (BF %) were significantly decreased, and fat-free mass and basal metabolic rate were significantly increased than baseline values. FM and BF % were significantly improved in the yoga group compared with the control group (p<0.05). Total cholesterol (TC) was significantly decreased in the yoga group (p<0.01). HDL-cholesterol was decreased in both groups (p<0.05). No significant changes were observed between or within groups for triglycerides, LDL-cholesterol, glucose, insulin, and HOMA-IR. Our findings show that an 8-week of yoga training improves body composition and TC levels in obese adolescent boys, suggesting that yoga training may be effective in controlling some metabolic syndrome factors in obese adolescent boys.
Biohydrogen production from organic wastewater by anaerobically activated sludge fermentation has already been extensively investigated, and it is known that hydrogen can be produced by glucose fermentation through three metabolic pathways, including the oxidative decarboxylation of pyruvic acid to acetyl-CoA, oxidation of NADH to $NAD^+$, and acetogenesis by hydrogen-producing acetogens. However, the exact or dominant pathways of hydrogen production in the anaerobically activated sludge fermentation process have not yet been identified. Thus, a continuous stirred-tank reactor (CSTR) was introduced and a specifically acclimated acidogenic fermentative microflora obtained under certain operation conditions. The hydrogen production activity and potential hydrogen-producing pathways in the acidogenic fermentative microflora were then investigated using batch cultures in Erlenmeyer flasks with a working volume of 500 ml. Based on an initial glucose concentration of 10 g/l, pH 6.0, and a biomass of 1.01 g/l of a mixed liquid volatile suspended solid (MLVSS), 247.7 ml of hydrogen was obtained after a 68 h cultivation period at $35{\pm}1^{\circ}C$. Further tests indicated that 69% of the hydrogen was produced from the oxidative decarboxylation of pyruvic acid, whereas the remaining 31% was from the oxidation of NADH to $NAD^+$. There were no hydrogen-producing acetogens or they were unable to work effectively in the anaerobically activated sludge with a hydraulic retention time (HRT) of less than 8 h.
Gene expression profiling is a useful tool for identifying critical genes and pathways in metabolism. The objective of this study was to determine the major differences in the expression of genes associated with metabolism and metabolic regulation in liver and mammary tissues of lactating cows. We used the Michigan State University bovine metabolism (BMET) microarray; previously, we have designed a bovine metabolism-focused microarray containing known genes of metabolic interest using publicly available genomic internet database resources. This is a high-density array of 70mer oligonucleotides representing 2,349 bovine genes. The expression of 922 genes was different at p<0.05, and 398 genes (17%) were differentially expressed by two-fold or more with 222 higher in liver and 176 higher in mammary tissue. Gene ontology categories with a high percentage of genes more highly expressed in liver than mammary tissues included carbohydrate metabolism (glycolysis, glucoenogenesis, propanoate metabolism, butanoate metabolism, electron carrier and donor activity), lipid metabolism (fatty acid oxidation, chylomicron/lipid transport, bile acid metabolism, cholesterol metabolism, steroid metabolism, ketone body formation), and amino acid/nitrogen metabolism (amino acid biosynthetic process, amino acid catabolic process, urea cycle, and glutathione metabolic process). Categories with more genes highly expressed in mammary than liver tissue included amino acid and sugar transporters and MAPK, Wnt, and JAK-STAT signaling pathways. Real-time PCR analysis showed consistent results with those of microarray analysis for all 12 genes tested. In conclusion, microarray analyses clearly identified differential gene expression profiles between hepatic and mammary tissues that are consistent with the differences in metabolism of these two tissues. This study enables understanding of the molecular basis of metabolic adaptation of the liver and mammary gland during lactation in bovine species.
An important potential of metabolomics-based approach is the possibility to develop fingerprints of diseases or cellular responses to classes of compounds with known common biological effect. Such fingerprints have the potential to allow classification of disease states or compounds, to provide mechanistic information on cellular perturbations and pathways and to identify biomarkers specific for disease severity and drug efficacy. Metabolic profiles of biological fluids contain a vast array of endogenous metabolites. Changes in those profiles resulting from perturbations of the system can be observed using analytical techniques, such as NMR and MS. $^1H$ NMR was used to generate a molecular fingerprint of serum or urinary sample, and then pattern recognition technique was applied to identity molecular signatures associated with the specific diseases or drug efficiency. Several metabolites that differentiate disease samples from the control were thoroughly characterized by NMR spectroscopy. We investigated the metabolic changes in human normal and clinical samples using $^1H$ NMR. Spectral data were applied to targeted profiling and spectral binning method, and then multivariate statistical data analysis (MVDA) was used to examine in detail the modulation of small molecule candidate biomarkers. We show that targeted profiling produces robust models, generates accurate metabolite concentration data, and provides data that can be used to help understand metabolic differences between healthy and disease population. Such metabolic signatures could provide diagnostic markers for a disease state or biomarkers for drug response phenotypes.
Thu, Vu Thi;Cuong, Dang Van;Kim, Na-Ri;Youm, Jae-Boum;Warda, Mohamad;Park, Won-Sun;Ko, Jae-Hong;Kim, Eui-Yong;Han, Jin
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제11권2호
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pp.57-64
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2007
Ischemic preconditioning (IPC) is known to protect the heart against ischemia/reperfusion (IR)-induced injuries, and regional differences in the mitochondrial antioxidant state during IR or IPC may promote the death or survival of viable and infarcted cardiac tissues under oxidative stress. To date, however, the interplay between the mitochondrial antioxidant enzyme system and the level of reactive oxygen species (ROS) in the body has not yet been resolved. In the present study, we examined the effects of IR- and IPC-induced oxidative stresses on mitochondrial function in viable and infarcted cardiac tissues. Our results showed that the mitochondria from viable areas in the IR-induced group were swollen and fused, whereas those in the infarcted area were heavily damaged. IPC protected the mitochondria, thus reducing cardiac injury. We also found that the activity of the mitochondrial antioxidant enzyme system, which includes manganese superoxide dismutase (Mn-SOD), was enhanced in the viable areas compared to the infarcted areas in proportion with decreasing levels of ROS and mitochondrial DNA (mtDNA) damage. These changes were also present between the IPC and IR groups. Regional differences in Mn-SOD expression were shown to be related to a reduction in mtDNA damage as well as to the release of mitochondrial cytochrome c (Cyt c). To the best of our knowledge, this might be the first study to explore the regional mitochondrial changes during IPC. The present findings are expected to help elucidate the molecular mechanism involved in IPC and helpful in the development of new clinical strategies against ischemic heart disease.
Background: Metabolic syndrome (MetS) is a multifactorial disease characterized by impaired glucose tolerance/diabetes, obesity, high triglyceride levels, low HDL levels, and hypertension. In this study we evaluate the relationship between tumor size and grade, and presence of the metabolic syndrome in patients with renal cell carcinoma. Materials and Methods: Between 2007-2013, radical nephrectomy was performed for 310 patients with renal tumors in our clinic and those with pathology reported renal cell carcinoma were enrolled and divided into two groups, with and without metabolic syndrome diagnosed on the basis of the National Cholesterol Education Program (NCEP) Adult Treatment Panel III (ATP III) criteria. The relationship between tumor size and grade of the two groups (Fuhrman nuclear degree) was evaluated statistically. Results: The metabolic syndrome was found in 70 patients, with a mean age of 65.5 (40-87), as compared to 58.8 (31-84) years in the non-metabolic syndrome group. Tumor size over 7 cm was found in 54% and 33%, respectively, and tumor grade over Fuhrman 3 in 56% and 32% of patients. Patients with metabolic syndrome had significantly higher tumor size and grade (p<0.05). In the presence of hypertension, diabetes and high triglyceride levels, significant assocations were again observed (p<0.05). Tumor size and degree also increased with increasing body mass index but this was not statistically significant (p>0.05). Conclusions: Renal cancer is more aggressive in patients with metabolic syndrome. Lifestyle and risk factors were revealed to be significant influences in renal cancer patients.
Metabolic syndrome consists of several risk factors of metabolic origin like elevated blood pressure, abdominal obesity, elevated triglyceride concentrations, decreased HDL-cholesterol concentrations, and elevated fasting glucose. It appear to directly increase the development of atherosclerotic cardiovascular diseases which leading to cardiovascular diseases in later life. This 39 years female patient was diagnosed schizophrenia at the age of 17. but she didn't take reasonable treatments. during 20 years, she stayed in home and lived unsuited life with her family. As a result she gains heavy weight and centeral obesity, diabetic mellitus and hypertention, and developed cerevral vascular accident twice. This patient was treated with herb medication, acupuncture, western medication, psychotherapy primarily in focusing of pre-illness state(未病) as well as the stagnation of phelm. During 140 days of treatment from admission, before 2nd attack tbe patient showed improvement of Lt. hemiparesis but after second attack improved a little. And symptom of schizophrenia improved considerably. Also diet habit changed.
Kim, Cheol-Ju;Ko, Seuk-Beum;Lee, Jong-Myung;Jeon, Il-Cheol;Lee, Dong J.;Shin, Kook-Joe
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제9권6호
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pp.382-384
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1988
The explicit form of time correlation function between fluctuating concentrations is obtained for the model of metabolic system with negative feedback near a stable(or marginally stable) steady state.
Dynamic energy balance can give clinicians important answers for why obesity is so resistant to control. When food intake is reduced for weight control, all components of energy expenditure change, including metabolic rate at rest (resting energy expenditure [REE]), metabolic rate of exercise, and adaptive thermogenesis. This means that a change in energy intake influences energy expenditure in a dynamic way. Mechanisms associated with reduction of total energy expenditure following weight loss are likely to be related to decreased body mass and enhanced metabolic efficiency. Reducing calorie intake results in a decrease in body weight, initially with a marked reduction in fat free mass and a decrease in REE, and this change is maintained for several years in a reduced state. Metabolic adaptation, which is not explained by changes in body composition, lasts for more than several years. These are powerful physiological adaptations that induce weight regain. To avoid a typically observed weight-loss and regain trajectory, realistic weight loss goals should be established and maintained for more than 1 year. Using a mathematical model can help clinicians formulate advice about diet control. It is important to emphasize steady efforts for several years to maintain reduced weight over efforts to lose weight. Because obesity is difficult to reverse, clinicians must prioritize obesity prevention. Obesity prevention strategies should have high feasibility, broad population reach, and relatively low cost, especially for young children who have the smallest energy gaps to change.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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