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Concepto de Murburn

En el campo de la enzimología , murburn es un término acuñado por Kelath Murali Manoj que explica el mecanismo catalítico de ciertas proteínas redox - activas . [1] [2] [3] El término describe el equilibrio entre moléculas , iones no unidos y radicales , lo que significa un proceso de " catálisis redox suave sin restricciones ".

El término murburn se deriva de " mur ed burn " (que significa "combustión cerrada", un proceso oxidativo) e implica equilibrios que involucran especies reactivas de oxígeno difusibles (DRS/DROS/ROS). Aunque es similar a la combustión de combustible asistida por oxígeno, a diferencia de las llamas producidas en el proceso de combustión al aire libre, la reacción biológica ocurre en locales cerrados, es suave y puede generar calor por sí sola (y no llamas). Una reacción de este tipo también podría generar transferencias selectivas y específicas de electrones/fragmentos.

Además, aunque la combustión es una reacción que normalmente implica oxígeno (proceso aeróbico), también son bien conocidas las "llamas ardientes" [4] producidas por oxidantes anóxicos . [4] Por lo tanto, las enzimas que funcionan a través del esquema murburn (aeróbico o anaeróbico) podrían llamarse murzimas y la región alrededor de la biomolécula donde el DRS interactúa con el 'sustrato' final se llama 'murzona'. [5]

Los componentes básicos

Características destacadas

Mientras que las actividades enzimáticas se definen clásicamente por la interacción de la proteína con su sustrato en un sitio activo definido (lo que requiere un reconocimiento topológico de los participantes interactivos), el esquema de Murburn invoca obligatoriamente un DRS (o un radical reactivo) para llevar a cabo esta agenda. [6] El esquema convencional de interacción enzima-sustrato invoca la afinidad de tipo llave y cerradura de Fischer o la teoría de ajuste inducido de Koshland . Es decir, un sustrato es identificado por la enzima en virtud de una complementación topográfica y, a partir de entonces, el complejo enzima-sustrato experimenta un "estado de transición", que conduce a productos. [7]

Un sistema de este tipo muestra certeza/determinismo, generalmente se rige por los modelos estándar de cinética (como el esquema de Michaelis-Menten ) y los inhibidores pueden ser competitivos, no competitivos, no competitivos, etc. Las enzimas clásicas tienen un sustrato único o un conjunto bien definido de sustratos.

Por el contrario, el esquema de Murburn (como se muestra en la figura) podría invocar una complementación enzima-sustrato, pero este aspecto no es obligatorio. La cinética de la reacción puede a veces no ser rastreable con los modelos estándar porque la especie reactiva difusible está sujeta a múltiples equilibrios y el producto de interés puede formarse favorablemente solo en concentraciones discretas de los protagonistas.

Por lo tanto, los resultados en tales sistemas podrían estar sujetos a mucha incertidumbre y el esquema de reacción general podría exhibir una estequiometría variable y no integral. Los moduladores/influenciadores (activadores o inhibidores) pueden funcionar mediante modalidades mixtas, debido a los efectos sobre la proteína, el sustrato o las especies difusibles. Las murzimas pueden tener una amplia variedad de sustratos, ya que el esquema de reacción depende de múltiples modalidades de interacciones y resultados. Estas consideraciones buscan que superemos la perspectiva estética de que los DROS son meras manifestaciones de la fisiopatología. [8] [9] Una comparación relevante es que la presencia de portacuchillos, tablas de cortar y guantes en la cocina (análogos a enzimas como la superóxido dismutasa y la catalasa, proteínas incrustadas en la membrana con centros redox activos de un electrón, etc.) no significa que el cuchillo sea un componente peligroso que deba evitarse. Por el contrario, es una herramienta importante en todo el mundo que debe usarse con el cuidado adecuado. De manera muy similar, la maquinaria celular ha evolucionado para aprovechar el potencial de reacción de los DRS. La perspectiva estética/preocupación de que los DRS causaran estragos en la fisiología rutinaria ya no es relevante porque varias décadas de investigación han establecido claramente que los DRS se observan rutinariamente y son inevitables en la fisiología, y no se los puede simplemente hacer desaparecer. [10] También se ha demostrado que la liberación sostenida de DRS podría permitir selectividad (elección de un reactivo particular de una variedad, digamos B de A, B, C y D) y especificidad (ataque a un locus específico, como las posiciones alfa o para de un reactivo). Por lo tanto, tal selectividad puede compararse con cómo prender fuego a un paño húmedo sumergido en aceite quema el aceite primero y carboniza mínimamente la tela del paño. Análogamente, la actividad de Murburn tiene daños colaterales acumulativos, que conducen al envejecimiento y, en última instancia, a la muerte. El concepto de Murburn enfatiza la conciencia fundamental ya bien establecida de que todas las moléculas/procesos en la vida tienen relevancia espacial, temporal, cuantitativa y contextual. En la figura se presenta una comparación de las perspectivas clásicas y el concepto de Murburn, y los cambios de percepción introducidos por el concepto de Murburn se pueden capturar en la Tabla 1. [11]

Comparación del mecanismo enzimático clásico y la extensión contextual proporcionada por el concepto de Murburn, que considera a las especies reactivas difusibles (DRS) como un participante vital en el metabolismo/fisiología de rutina. [11] AP, I, P, R y S representan producto alternativo, que influyen en el aditivo, el producto, el centro redox y el sustrato, respectivamente.

El nuevo mecanismo se ha propuesto como explicación de fenómenos que implican transferencias catalíticas de electrones o fracciones, cambios físico-químicos y observaciones inusuales en varios escenarios experimentales, ecológicos, metabólicos y fisiológicos. Fundamentalmente, el concepto de Murburn defiende la tesis de que los DRS son requisitos vitales para las funciones metabólicas y fisiológicas rutinarias. Esta teoría se valida por su capacidad para explicar la toxicidad del cianuro para una variedad de procesos vitales importantes (en particular, la respiración y la fotosíntesis). [12] [13]

Solicitud

Enzimología del hemo/flavina y fenómenos de transferencia de electrones
Las enzimas que contienen grupos hemo y flavina (como las peroxidasas, catalasas, reductasas, etc.) son omnipresentes en los sistemas celulares. Si bien varias reacciones de transferencia de electrones y fracciones que catalizan están mediadas en el sitio activo (centro hemo/flavina), [14] [15] [16] algunas reacciones están mediadas por especies difusibles. Ir más allá del paradigma de Michaelis-Menten para explicar los resultados de los últimos tipos de reacciones (con varios aditivos e inhibidores) es el objetivo central del concepto de Murburn. [17] [18]
Ecología
Las hemo haloperoxidasas fúngicas (como la cloroperoxidasa ) son la fuente última para la generación de la gran mayoría de todos los compuestos orgánicos halogenados naturales en el medio ambiente y las hemoperoxidasas también son responsables de la descomposición de los materiales lignocelulósicos de las plantas . [19] [20] [21] [22] [23] Por lo tanto, las actividades de murburn de las hemoperoxidasas son muy importantes para explicar los ciclos carbono/halógeno. [24]
Metabolismo de fármacos y xenobióticos
Los fármacos y xenobióticos fabricados por el hombre presentan una topología molecular que el sistema celular puede no conocer y, por lo tanto, puede no ser factible una identificación definitiva basada en la afinidad de la molécula extraña. El modelo clásico basado en P450cam no explica la promiscuidad de la reducción de docenas de citocromos P450 microsomales hepáticos por una reductasa única (que se distribuye en concentraciones mucho más bajas) y también es inexplicable en él cómo diversas moléculas de fármacos reaccionan ante un solo CYP o por qué algunos CYP no convierten un fármaco determinado. Además, las interacciones fármaco-fármaco basadas por sí solas en los efectos de unión al sitio activo no pueden explicar los resultados. Con la participación obligatoria de DRS, el esquema de Murburn ofrece una modalidad tangible para explicar la forma en que los hepatocitos afrontan tales desafíos y el nuevo modelo podría explicar potencialmente diversos tipos de interacciones farmacológicas y resultados de mutaciones. [25] [26] [27]
Termogénesis y homeostasis dinámica de la respiración celular
En la fase inicial de la evolución, es posible que no haya existido una identificación basada en la afinidad. Además, las mitocondrias poseen protones que se pueden contar con los dedos, mientras que decenas de miles de supuestos complejos proteicos que bombean protones. Además, el oxígeno es una molécula muy móvil de la que no se puede esperar que permanezca no reactiva en presencia de la multitud de centros redox presentes en los complejos respiratorios de la membrana mitocondrial. Con respecto a estas consideraciones, el modelo clásico de síntesis de ATP rotatoria quimiosmótica basado en la cadena de transporte de electrones (CTE) se vuelve insostenible. El modelo de Murburn presenta una nueva interpretación de la fisiología de la respiración celular: incluye la fosforilación oxidativa, la termogénesis y la homeostasis redox dinámica. Además, los efectos de una amplia variedad de toxinas respiratorias (como el cianuro) en diversas fisiologías y formas de vida se explican mediante el esquema de Murburn, que invoca la DRS. [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]
La hemoglobina en la fisiología de los eritrocitos
Los glóbulos rojos funcionan de manera viable durante unos 4 meses, aunque carecen de núcleo (para la regulación genética) o mitocondrias (para llevar a cabo la fosforlación oxidativa clásica). Una evaluación cuantitativa muestra que la maquinaria glucolítica presente en su interior es inadecuada para los requisitos bioenergéticos de los eritrocitos. Las exploraciones basadas en el concepto de Murburn revelaron que la hemoglobina tetramérica altamente compacta podría sintetizar ATP utilizando una lógica basada en DRS. La nueva perspectiva ofrece mejores correlaciones estructura-función para los diversos monómeros (A, B y F) de la proteína y los roles de los nucleótidos de nicotinamida y el bisfosfoglicerato. [32]
Hormesis y respuestas idiosincrásicas a las dosis
Desde hace mucho tiempo se ha planteado el dilema de cómo ciertas moléculas pueden producir un efecto fisiológico a baja concentración, mientras que se observa poco impacto a concentraciones más altas. El esquema clásico de interacción ligando-receptor y enzima-sustrato solo puede dar lugar a respuestas a la dosis monofásicas (hiperbólicas) o en forma de campana (cuando una molécula se vuelve tóxica por encima de un nivel crítico). El concepto de Murburn ofrece una explicación molecular para tales disposiciones fisiológicas horméticas y ciertos tipos de disposiciones idiosincrásicas (de persona a persona o “reacciones” dependientes del caso). [36] [37]
Fotosíntesis oxigenada
El aprovechamiento de la energía de la luz solar constituye el principal medio de provisión de moléculas orgánicas centradas en el carbono para sostener la vida en nuestro planeta. Se demostró que las explicaciones clásicas del ciclo de Kok-Joliot, el esquema Z, el ciclo Q, etc. eran insostenibles. Recientemente se propuso un modelo de Murburn (que incluía DROS) de captación de luz solar (que incluía DROS) como mecanismo para explicar el efecto Emerson y varias otras observaciones (como el efecto de mejora de los iones de bicarbonato en la evolución del oxígeno, la mejora de los iones de cloruro en las transferencias de electrones in vitro, etc.) que eran incompatibles con el ámbito clásico. [38] [39] [40] [41] [42] [43]
Diferenciales iónicos y electrofisiología
La teoría clásica de la membrana sostiene que los diferenciales iónicos dentro y fuera de las células surgen debido al bombeo por parte de proteínas incrustadas en la membrana, como la Na-K-ATPasa. También en este ámbito, la fuente del potencial transmembrana (TMP) resulta de la diferencia de concentración de iones entre fases. En el contexto de las fluctuaciones del TMP, el modelo de Murburn aporta una nueva perspectiva de separación de carga efectiva que conduce a un exceso de cargas negativas que se generan transitoriamente en el interior, debido a la capacidad del oxígeno de aceptar electrones libres. Además, se ha señalado la cosolubilización preferencial de cationes por la actividad respiratoria como otra razón para los diferenciales iónicos. [44] [45]
Fisiología de la visión
El ciclo visual tradicional no tiene ninguna función directa del oxígeno y supone que los bastones y conos actúen como agentes fototransductores primarios. Implica un cambio de conformación cis-trans de la retina y la expulsión de la rodopsina, un cambio de conformación de la transducina y un ciclo a través del epitelio pigmentado de la retina. En la nueva cascada de Murburn, la fotoexcitación de la rodopsina conduce a la formación de superóxido, que ataca al GDP unido a la alfa transducina, formando GTP, que se desprende y se convierte en GDP por el módulo beta de la transducina. El GDP liberado es un activador alostérico de la fosfodiesterasa-6, que permite la activación de la cascada c-GMP. Por lo tanto, en el ámbito de Murburn, el oxígeno está directamente involucrado en la fisiología visual y las células de bastones y conos son la fuente última de electrones. El modelo de Murburn también proporciona una mejor plataforma para explicar la resolución, la percepción de profundidad, la arquitectura del ojo y su evolución. [46]
Lactato deshidrogenasa (LDH)
La percepción clásica considera que la isoenzima LDH-A convierte el piruvato en lactato, mientras que la LDH-B convierte el lactato en piruvato, siendo la reacción libremente reversible a través de la misma ruta mecanística. El concepto de Murburn corrigió esta percepción errónea y proporcionó conocimientos termodinámicos y estructurales para demarcar una nueva vía y mecanismo para el funcionamiento de la LDH en el hígado, utilizando DRS. Los músculos tienen 4 veces la concentración de la misma isoenzima de LDH-A, que también se encuentra en el hígado. Por lo tanto, la explicación clásica no logra razonar por qué el lactato debe ser transportado al hígado o las mitocondrias para un reciclaje efectivo. El concepto de Murburn resuelve estos enigmas y también ofrece un nuevo enfoque para comprender el efecto Warburg y la terapia del cáncer. [47]
Origen y evolución de la vida
Las percepciones anteriores consideraban que los gradientes protón/ión eran el principio bioenergético primario. En este ámbito, era difícil concebir cómo un supuesto nanomotor molecular como el Complejo V podría evolucionar para la síntesis de ATP, en los estados primordiales del origen de la vida. El concepto de Murburn ofrece una separación efectiva de carga como un principio más simple para la viabilidad de la célula como un motor químico simple que podría realizar un trabajo útil. La visión de Murburn proyecta el TMP como un producto secundario de la actividad metabólica celular, y no como la fuerza impulsora primaria de la bioenergética celular. [48] [49] [50]

Crítica

El concepto de Murburn se ha utilizado para criticar percepciones clásicas como el mecanismo de síntesis de ATP rotatorio quimiosmótico de Peter Mitchell y Paul Boyer . [51] [52] [53] Estas críticas han sido puestas en tela de juicio. [54] [55] Estas críticas, a su vez, han recibido respuesta. [56] [57]

Perspectivas

El difunto Lowell Hager (miembro de NAS-USA y profesor de bioquímica en UIUC) reconoció el mecanismo de selectividad/especificidad de murburn mediado por DRS en la cloroperoxidasa. [58] Se publicaron en el Reino Unido dos libros escritos por respetados investigadores europeos que discutieron favorablemente el concepto de murburn. [59] [60] [61] Los artículos basados ​​en el concepto de murburn recibieron créditos de portada en cuatro volúmenes anuales (2017, 2018, 2019 y 2020) de Biomedical Reviews (la revista oficial de la Sociedad Búlgara de Biología Celular ) y el volumen 167 (diciembre de 2021) de Progress in Biophysics and Molecular Biology (Elsevier). Los defensores del concepto de Murburn han proporcionado preceptos y pruebas de concepto para los modelos de Murburn de diversos procesos vitales (metabolismo de fármacos, respiración celular, termogénesis, homeostasis, fotosíntesis, electrofisiología, fototransducción en la retina, metabolismo del lactato en el hígado, papel de la hemoglobina en los eritrocitos, etc.). Sus análisis comparativos también abordan los criterios teóricos esenciales (termodinámica, cinética, mecanismo, correlaciones estructura-función, consideraciones evolutivas, navaja de Ockham/probabilidad, etc.) y han publicado hallazgos experimentales. Estos escritos también presentan el atractivo pansistémico y holístico de la nueva teoría y denuncian la naturaleza insostenible de varias percepciones clásicas. Así, el concepto de Murburn está preparado para expandir los conceptos clásicos de biocatálisis, transferencias biológicas de electrones, metabolismo y fisiología, lo que lleva a la discontinuación de varios términos/ideas poco realistas en la enzimología redox clásica (como la cadena de transporte de electrones, el esquema Z, el ciclo Q, el ciclo de Kok-Joliot, la quimiosmosis, la fuerza motriz de protones, la síntesis rotatoria de ATP, etc.) que actualmente se defienden en los libros de texto. Los términos antiguos se inventaron para explicar la actividad de las proteínas redox cuando el concepto de Murburn no se había desentrañado y los investigadores habían limitado sus exploraciones a la lógica basada en el sitio activo y la afinidad únicamente. Incorporar el concepto de Murburn en la enseñanza y la investigación es el siguiente paso en la secuencia del progreso científico.

ACTUALIZACIONES en 2023

(i) Resultados postraduccionales y epigenéticos: dado que los procesos de Murburn pueden introducir reacciones oxidativas y de transferencia de grupo (halogenación, fosforilación, hidroxilación, etc.), las diversas biomoléculas (como proteínas, ADN, componentes de la matriz, etc.) podrían estar sujetas a modificaciones correspondientes, lo que conduce a influencias metaboloproteómicas. [62]

(ii) El concepto de Murburn explica la correlación estructura-función de la Na,K-ATPasa. [63]

(iii) El concepto de Murburn sirve como un paraguas unificador para conectar la energía celular en escalas de tiempo agudas, la coherencia, la homeostasis, las facetas electrofisiológicas/mecánicas y sensoriales/de respuesta. Por lo tanto, debe considerarse como un principio fundamental de la vida, junto con la teoría celular y el dogma central. [49] [62]

(iv) Los funcionalismos de “rotación molecular autoensamblada” en biología se rechazan de manera concluyente con críticas centradas en Murburn, ya que se demuestra que tanto el Complejo V (¡anteriormente!) como la motilidad asistida por flagelos bacterianos son sistemas de movilización de agua. [64] [65]

(v) Se señaló la relevancia del concepto de murburn en las enfermedades respiratorias genéticas y adquiridas. [Kelath Murali Manoj. ¿Cuál es la relevancia del concepto de murburn en la talasemia y las enfermedades respiratorias? Thalass. Rep. 2023, 13(2), 144–151; https://doi.org/10.3390/thalassrep13020013 [66] ].

(vi) El portal del Instituto Americano de Física publica una revisión en dos partes del concepto de Murburn que explica múltiples rutinas metabólicas y fisiológicas. Estos avances respaldan el concepto de Murburn como principio fundamental que explica diversos funcionalismos celulares. [67] [68]

En el panel izquierdo se muestran las interacciones moleculares implicadas en el concepto de murburn. Una murzima puede utilizar (generar/modular/estabilizar/utilizar) DRS, que puede entrar en equilibrios interactivos con diversas o selectas moléculas e iones en el medio, dando lugar a transferencias catalíticas de electrones o fracciones, incluidas las modificaciones postraduccionales (PTM) de auto o heteroproteínas. El panel central muestra la descripción general fisiológica sistémica o macroscópica general del murburn iniciado por el ECS en las células que conduce a su funcionamiento como SCE. El metano (CH 4 ) se considera un ejemplo de entrada de nutrientes. Uno de sus productos de murburn (CO 2 ) es un gas anulable y el otro producto (agua, H 2 O) también es el disolvente. Debido a los efectos coligativos, este último se moviliza espontáneamente para salir, reteniendo así la composición celular de manera dinámica. Físicamente, estos procesos también generan calor y turgencia. Químicamente, los DRS transitorios permiten la actividad eléctrica, impulsan reacciones que de otro modo no serían espontáneas y permiten una coherencia sin fisuras. La importancia conceptual del concepto de Murburn como principio fundador de la vida se muestra en el panel derecho. Si bien el dogma central vitalmente determinista permite la selectividad basada en la topología/afinidad, los inevitables procesos estocásticos (basados ​​en eventos aleatorios) de Murburn se complementan con otros parámetros necesarios para sustentar la vida.

Referencias

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