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Metabolismo

Vista simplificada del metabolismo celular.
Estructura del trifosfato de adenosina (ATP), un intermediario central en el metabolismo energético.

El metabolismo ( / m ə ˈ t æ b ə l ɪ z ə m / , del griego : μεταβολή metabolē , "cambio") es el conjunto de reacciones químicas que sostienen la vida en los organismos . Las tres funciones principales del metabolismo son: la conversión de la energía de los alimentos en energía disponible para ejecutar procesos celulares; la conversión de alimentos en componentes básicos de proteínas , lípidos , ácidos nucleicos y algunos carbohidratos ; y la eliminación de desechos metabólicos . Estas reacciones catalizadas por enzimas permiten que los organismos crezcan y se reproduzcan, mantengan sus estructuras y respondan a sus entornos. La palabra metabolismo también puede referirse a la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en los organismos vivos, incluida la digestión y el transporte de sustancias hacia y entre diferentes células, en cuyo caso el conjunto de reacciones antes descrito dentro de las células se llama intermediario (o intermediario). ) metabolismo.

Las reacciones metabólicas pueden clasificarse como catabólicas : la descomposición de compuestos (por ejemplo, de glucosa en piruvato mediante la respiración celular ); o anabólico : la formación ( síntesis ) de compuestos (como proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos). Por lo general, el catabolismo libera energía y el anabolismo consume energía.

Las reacciones químicas del metabolismo se organizan en vías metabólicas , en las que una sustancia química se transforma a través de una serie de pasos en otra sustancia química, cada paso siendo facilitado por una enzima específica . Las enzimas son cruciales para el metabolismo porque permiten que los organismos impulsen reacciones deseables que requieren energía y que no ocurrirán por sí solas, al acoplarlas a reacciones espontáneas que liberan energía. Las enzimas actúan como catalizadores (permiten que una reacción avance más rápidamente) y también permiten regular la velocidad de una reacción metabólica, por ejemplo en respuesta a cambios en el entorno de la célula o a señales de otras células.

El sistema metabólico de un organismo determinado determina qué sustancias encontrará nutritivas y cuáles venenosas . Por ejemplo, algunos procariotas utilizan sulfuro de hidrógeno como nutriente, pero este gas es venenoso para los animales. [1] La tasa metabólica basal de un organismo es la medida de la cantidad de energía consumida por todas estas reacciones químicas.

Una característica sorprendente del metabolismo es la similitud de las vías metabólicas básicas entre especies muy diferentes. [2] Por ejemplo, el conjunto de ácidos carboxílicos mejor conocidos como intermediarios en el ciclo del ácido cítrico están presentes en todos los organismos conocidos, encontrándose en especies tan diversas como la bacteria unicelular Escherichia coli y enormes organismos multicelulares como los elefantes . [3] Estas similitudes en las vías metabólicas probablemente se deban a su aparición temprana en la historia evolutiva , y su retención probablemente se deba a su eficacia . [4] [5] En diversas enfermedades, como la diabetes tipo II , el síndrome metabólico y el cáncer , el metabolismo normal se altera. [6] El metabolismo de las células cancerosas también es diferente del metabolismo de las células normales, y estas diferencias pueden usarse para encontrar objetivos para la intervención terapéutica en el cáncer. [7]

Bioquímicos clave

Estructura de un lípido triacilglicerol.
Este es un diagrama que representa un gran conjunto de vías metabólicas humanas. [ se necesita referencia de imagen ]

La mayoría de las estructuras que forman los animales, las plantas y los microbios están formadas por cuatro clases básicas de moléculas : aminoácidos , carbohidratos , ácidos nucleicos y lípidos (a menudo llamados grasas ). Como estas moléculas son vitales para la vida, las reacciones metabólicas se centran en producir estas moléculas durante la construcción de células y tejidos, o en descomponerlas y utilizarlas para obtener energía, mediante su digestión. Estos bioquímicos se pueden unir para formar polímeros como el ADN y las proteínas , macromoléculas esenciales para la vida. [8]

Aminoácidos y proteínas.

Las proteínas están formadas por aminoácidos dispuestos en una cadena lineal unidos por enlaces peptídicos . Muchas proteínas son enzimas que catalizan las reacciones químicas del metabolismo. Otras proteínas tienen funciones estructurales o mecánicas, como las que forman el citoesqueleto , un sistema de andamiaje que mantiene la forma celular. [9] Las proteínas también son importantes en la señalización celular , las respuestas inmunitarias , la adhesión celular , el transporte activo a través de membranas y el ciclo celular . [10] Los aminoácidos también contribuyen al metabolismo energético celular al proporcionar una fuente de carbono para la entrada en el ciclo del ácido cítrico ( ciclo del ácido tricarboxílico ), [11] especialmente cuando una fuente primaria de energía, como la glucosa , es escasa, o cuando las células sufrir estrés metabólico. [12]

lípidos

Los lípidos son el grupo más diverso de sustancias bioquímicas. Sus principales usos estructurales son como parte de membranas biológicas tanto internas como externas, como la membrana celular . [10] También se puede utilizar su energía química . Los lípidos son los polímeros de ácidos grasos [ cita necesaria ] que contienen una cadena de hidrocarburos larga y no polar con una pequeña región polar que contiene oxígeno. Los lípidos generalmente se definen como moléculas biológicas hidrofóbicas o anfipáticas , pero se disuelven en disolventes orgánicos como el etanol , el benceno o el cloroformo . [13] Las grasas son un gran grupo de compuestos que contienen ácidos grasos y glicerol ; una molécula de glicerol unida a tres ácidos grasos mediante enlaces éster se llama triacilglicérido . [14] Existen varias variaciones de esta estructura básica, incluidas cadenas principales como la esfingosina en la esfingomielina y grupos hidrófilos como el fosfato en los fosfolípidos . Los esteroides como los esterol son otra clase importante de lípidos. [15]

carbohidratos

La glucosa puede existir tanto en forma de cadena lineal como de anillo.

Los carbohidratos son aldehídos o cetonas , con muchos grupos hidroxilo unidos, que pueden existir como cadenas lineales o anillos. Los carbohidratos son las moléculas biológicas más abundantes y desempeñan numerosas funciones, como el almacenamiento y transporte de energía ( almidón , glucógeno ) y componentes estructurales ( celulosa en las plantas, quitina en los animales). [10] Las unidades básicas de carbohidratos se llaman monosacáridos e incluyen galactosa , fructosa y, lo más importante, glucosa . Los monosacáridos se pueden unir para formar polisacáridos de formas casi ilimitadas. [dieciséis]

Nucleótidos

Los dos ácidos nucleicos, ADN y ARN , son polímeros de nucleótidos . Cada nucleótido está compuesto por un fosfato unido a un grupo de azúcar ribosa o desoxirribosa que está unido a una base nitrogenada . Los ácidos nucleicos son críticos para el almacenamiento y uso de información genética, y su interpretación a través de los procesos de transcripción y biosíntesis de proteínas . [10] Esta información está protegida por mecanismos de reparación del ADN y se propaga a través de la replicación del ADN . Muchos virus tienen un genoma de ARN , como el VIH , que utiliza la transcripción inversa para crear una plantilla de ADN a partir de su genoma de ARN viral. [17] El ARN en las ribozimas como los espliceosomas y los ribosomas es similar a las enzimas, ya que puede catalizar reacciones químicas. Los nucleósidos individuales se elaboran uniendo una nucleobase a un azúcar ribosa . Estas bases son anillos heterocíclicos que contienen nitrógeno, clasificados como purinas o pirimidinas . Los nucleótidos también actúan como coenzimas en reacciones de transferencia de grupos metabólicos. [18]

Coenzimas

Estructura de la coenzima acetil-CoA . El grupo acetilo transferible está unido al átomo de azufre en el extremo izquierdo.

El metabolismo implica una amplia gama de reacciones químicas, pero la mayoría se clasifican en unos pocos tipos básicos de reacciones que implican la transferencia de grupos funcionales de átomos y sus enlaces dentro de las moléculas. [19] Esta química común permite que las células utilicen un pequeño conjunto de intermediarios metabólicos para transportar grupos químicos entre diferentes reacciones. [18] Estos intermediarios de transferencia de grupos se denominan coenzimas . Cada clase de reacciones de transferencia de grupos se lleva a cabo mediante una coenzima particular, que es el sustrato de un conjunto de enzimas que la producen y de un conjunto de enzimas que la consumen. Por lo tanto, estas coenzimas se producen, consumen y luego se reciclan continuamente. [20]

Una coenzima central es el trifosfato de adenosina (ATP), la moneda energética de las células. Este nucleótido se utiliza para transferir energía química entre diferentes reacciones químicas. Sólo hay una pequeña cantidad de ATP en las células, pero como se regenera continuamente, el cuerpo humano puede utilizar aproximadamente su propio peso en ATP por día. [20] El ATP actúa como puente entre el catabolismo y el anabolismo . El catabolismo descompone las moléculas y el anabolismo las une. Las reacciones catabólicas generan ATP y las reacciones anabólicas lo consumen. También sirve como portador de grupos fosfato en reacciones de fosforilación . [21]

Una vitamina es un compuesto orgánico necesario en pequeñas cantidades que no se puede producir en las células. En la nutrición humana , la mayoría de las vitaminas funcionan como coenzimas después de su modificación; por ejemplo, todas las vitaminas solubles en agua están fosforiladas o acopladas a nucleótidos cuando se utilizan en las células. [22] La nicotinamida adenina dinucleótido (NAD + ), un derivado de la vitamina B 3 ( niacina ), es una coenzima importante que actúa como aceptor de hidrógeno. Cientos de tipos distintos de deshidrogenasas eliminan electrones de sus sustratos y reducen el NAD + a NADH. Esta forma reducida de la coenzima es entonces un sustrato para cualquiera de las reductasas de la célula que necesitan transferir átomos de hidrógeno a sus sustratos. [23] La nicotinamida adenina dinucleótido existe en dos formas relacionadas en la célula, NADH y NADPH. La forma NAD + /NADH es más importante en reacciones catabólicas, mientras que NADP + /NADPH se utiliza en reacciones anabólicas. [24]

La estructura de la hemoglobina que contiene hierro . Las subunidades de proteínas están en rojo y azul, y los grupos hemo que contienen hierro en verde. De PDB : 1GZX .

Minerales y cofactores.

Los elementos inorgánicos desempeñan funciones críticas en el metabolismo; algunos son abundantes (por ejemplo, sodio y potasio ), mientras que otros funcionan en concentraciones mínimas. Aproximadamente el 99% del peso corporal de un ser humano está compuesto por los elementos carbono , nitrógeno , calcio , sodio , cloro , potasio , hidrógeno , fósforo , oxígeno y azufre . Los compuestos orgánicos (proteínas, lípidos y carbohidratos) contienen la mayor parte del carbono y el nitrógeno; la mayor parte del oxígeno y el hidrógeno está presente en forma de agua. [25]

Los abundantes elementos inorgánicos actúan como electrolitos . Los iones más importantes son sodio , potasio , calcio , magnesio , cloruro , fosfato y el ion orgánico bicarbonato . El mantenimiento de gradientes iónicos precisos a través de las membranas celulares mantiene la presión osmótica y el pH . [26] Los iones también son fundamentales para la función nerviosa y muscular , ya que los potenciales de acción en estos tejidos se producen mediante el intercambio de electrolitos entre el líquido extracelular y el líquido de la célula, el citosol . [27] Los electrolitos entran y salen de las células a través de proteínas en la membrana celular llamadas canales iónicos . Por ejemplo, la contracción muscular depende del movimiento de calcio, sodio y potasio a través de canales iónicos en la membrana celular y los túbulos T. [28]

Los metales de transición suelen estar presentes como oligoelementos en los organismos, siendo el zinc y el hierro los más abundantes. [29] Los cofactores metálicos están estrechamente unidos a sitios específicos en las proteínas; Aunque los cofactores enzimáticos pueden modificarse durante la catálisis, siempre regresan a su estado original al final de la reacción catalizada. Los micronutrientes metálicos son absorbidos por los organismos mediante transportadores específicos y se unen a proteínas de almacenamiento como la ferritina o la metalotioneína cuando no están en uso. [30] [31]

catabolismo

El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que descomponen moléculas de gran tamaño. Estos incluyen descomponer y oxidar las moléculas de los alimentos. El propósito de las reacciones catabólicas es proporcionar la energía y los componentes necesarios para las reacciones anabólicas que forman moléculas. [32] La naturaleza exacta de estas reacciones catabólicas difiere de un organismo a otro, y los organismos se pueden clasificar según sus fuentes de energía, hidrógeno y carbono (sus principales grupos nutricionales ), como se muestra en la siguiente tabla. Las moléculas orgánicas son utilizadas como fuente de átomos de hidrógeno o electrones por los organótrofos , mientras que los litotrofos utilizan sustratos inorgánicos. Mientras que los fotótrofos convierten la luz solar en energía química , [33] los quimiotrofos dependen de reacciones redox que implican la transferencia de electrones desde moléculas donantes reducidas, como moléculas orgánicas , hidrógeno , sulfuro de hidrógeno o iones ferrosos , a oxígeno , nitrato o sulfato . En los animales, estas reacciones involucran moléculas orgánicas complejas que se descomponen en moléculas más simples, como el dióxido de carbono y el agua. Los organismos fotosintéticos , como las plantas y las cianobacterias , utilizan reacciones similares de transferencia de electrones para almacenar la energía absorbida de la luz solar. [34]

El conjunto más común de reacciones catabólicas en animales se puede dividir en tres etapas principales. En la primera etapa, las moléculas orgánicas grandes, como proteínas , polisacáridos o lípidos , se digieren en sus componentes más pequeños fuera de las células. Luego, estas moléculas más pequeñas son absorbidas por las células y convertidas en moléculas más pequeñas, generalmente acetil coenzima A (acetil-CoA), que libera algo de energía. Finalmente, el grupo acetilo del acetil-CoA se oxida a agua y dióxido de carbono en el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones , liberando más energía al tiempo que reduce la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD + ) a NADH. [32]

Digestión

Las macromoléculas no pueden ser procesadas directamente por las células. Las macromoléculas deben dividirse en unidades más pequeñas antes de que puedan utilizarse en el metabolismo celular. Se utilizan diferentes clases de enzimas para digerir estos polímeros. Estas enzimas digestivas incluyen proteasas que digieren las proteínas en aminoácidos, así como glucósidos hidrolasas que digieren los polisacáridos en azúcares simples conocidos como monosacáridos . [36]

Los microbios simplemente secretan enzimas digestivas en su entorno, [37] [38] mientras que los animales solo secretan estas enzimas a partir de células especializadas en sus intestinos , incluidos el estómago y el páncreas , y en las glándulas salivales . [39] Los aminoácidos o azúcares liberados por estas enzimas extracelulares luego son bombeados hacia las células mediante proteínas de transporte activo . [40] [41]

Un esquema simplificado del catabolismo de proteínas , carbohidratos y grasas [ referencia de imagen necesaria ]

Energía a partir de compuestos orgánicos.

El catabolismo de los carbohidratos es la descomposición de los carbohidratos en unidades más pequeñas. Los carbohidratos generalmente ingresan a las células después de haber sido digeridos en monosacáridos . [42] Una vez dentro, la principal ruta de degradación es la glucólisis , donde los azúcares como la glucosa y la fructosa se convierten en piruvato y se genera algo de ATP. [43] El piruvato es un intermediario en varias vías metabólicas, pero la mayoría se convierte en acetil-CoA mediante glucólisis aeróbica (con oxígeno) y se introduce en el ciclo del ácido cítrico . Aunque se genera algo más de ATP en el ciclo del ácido cítrico, el producto más importante es el NADH, que se elabora a partir de NAD + a medida que se oxida el acetil-CoA. Esta oxidación libera dióxido de carbono como producto de desecho. En condiciones anaeróbicas, la glucólisis produce lactato , a través de la enzima lactato deshidrogenasa que reoxida el NADH a NAD+ para su reutilización en la glucólisis. [44] Una ruta alternativa para la degradación de la glucosa es la vía de las pentosas fosfato , que reduce la coenzima NADPH y produce azúcares pentosas como la ribosa , el azúcar componente de los ácidos nucleicos . [ cita necesaria ]

Mapa de la ruta del catabolismo del carbono para la energía libre, incluidas las fuentes de energía de carbohidratos y lípidos

Las grasas se catabolizan por hidrólisis a ácidos grasos libres y glicerol. El glicerol entra en la glucólisis y los ácidos grasos se descomponen mediante beta oxidación para liberar acetil-CoA, que luego pasa al ciclo del ácido cítrico. Los ácidos grasos liberan más energía tras la oxidación que los carbohidratos. Algunas bacterias también descomponen los esteroides en un proceso similar a la oxidación beta, y este proceso de descomposición implica la liberación de cantidades significativas de acetil-CoA, propionil-CoA y piruvato, que la célula puede utilizar para obtener energía. M. tuberculosis también puede crecer en el colesterol lipídico como única fuente de carbono, y se ha validado que los genes involucrados en las vías de uso del colesterol son importantes durante varias etapas del ciclo de vida de la infección de M. tuberculosis . [45]

Los aminoácidos se utilizan para sintetizar proteínas y otras biomoléculas, o se oxidan a urea y dióxido de carbono para producir energía. [46] La vía de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa . El grupo amino se introduce en el ciclo de la urea , dejando un esqueleto de carbono desaminado en forma de cetoácido . Varios de estos cetoácidos son intermedios en el ciclo del ácido cítrico, por ejemplo el α- cetoglutarato formado por desaminación del glutamato . [47] Los aminoácidos glucogénicos también se pueden convertir en glucosa, a través de la gluconeogénesis (que se analiza a continuación). [48]

Transformaciones energéticas

Fosforilación oxidativa

En la fosforilación oxidativa, los electrones eliminados de las moléculas orgánicas en áreas como el ciclo del ácido cítrico se transfieren al oxígeno y la energía liberada se utiliza para producir ATP. En los eucariotas , esto se realiza mediante una serie de proteínas en las membranas de las mitocondrias denominada cadena de transporte de electrones . En los procariotas , estas proteínas se encuentran en la membrana interna de la célula . [49] Estas proteínas utilizan la energía de moléculas reducidas como NADH para bombear protones a través de una membrana. [50]

Mecanismo de la ATP sintasa . El ATP se muestra en rojo, el ADP y el fosfato en rosa y la subunidad del tallo giratorio en negro.

Bombear protones fuera de las mitocondrias crea una diferencia de concentración de protones a través de la membrana y genera un gradiente electroquímico . [51] Esta fuerza impulsa los protones de regreso a la mitocondria a través de la base de una enzima llamada ATP sintasa . El flujo de protones hace que la subunidad del tallo gire, lo que hace que el sitio activo del dominio sintasa cambie de forma y fosforile el difosfato de adenosina  , convirtiéndolo en ATP. [20]

Energía a partir de compuestos inorgánicos.

La quimiolitotrofia es un tipo de metabolismo que se encuentra en los procariotas donde se obtiene energía a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos . Estos organismos pueden utilizar hidrógeno , [52] compuestos de azufre reducido (como sulfuro , sulfuro de hidrógeno y tiosulfato ), [1] hierro ferroso (Fe(II)) [53] o amoníaco [54] como fuentes de poder reductor y obtienen energía procedente de la oxidación de estos compuestos. [55] Estos procesos microbianos son importantes en los ciclos biogeoquímicos globales , como la acetogénesis , la nitrificación y la desnitrificación , y son fundamentales para la fertilidad del suelo . [56] [57]

Energía de la luz

La energía de la luz solar es capturada por plantas , cianobacterias , bacterias moradas , bacterias verdes del azufre y algunos protistas . Este proceso suele ir acompañado de la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos, como parte de la fotosíntesis, que se analiza a continuación. Sin embargo, los sistemas de captura de energía y fijación de carbono pueden funcionar por separado en los procariotas, ya que las bacterias violetas y las bacterias verdes del azufre pueden utilizar la luz solar como fuente de energía, mientras alternan entre la fijación de carbono y la fermentación de compuestos orgánicos. [58] [59]

En muchos organismos, la captura de energía solar es similar en principio a la fosforilación oxidativa, ya que implica el almacenamiento de energía como un gradiente de concentración de protones. Esta fuerza motriz de protones impulsa la síntesis de ATP. [60] Los electrones necesarios para impulsar esta cadena de transporte de electrones provienen de proteínas captadoras de luz llamadas centros de reacción fotosintética . Los centros de reacción se clasifican en dos tipos según la naturaleza del pigmento fotosintético presente: la mayoría de las bacterias fotosintéticas solo tienen un tipo, mientras que las plantas y las cianobacterias tienen dos. [61]

En plantas, algas y cianobacterias, el fotosistema II utiliza energía luminosa para eliminar electrones del agua, liberando oxígeno como producto de desecho. Luego, los electrones fluyen hacia el complejo citocromo b6f , que utiliza su energía para bombear protones a través de la membrana tilacoide del cloroplasto . [34] Estos protones regresan a través de la membrana mientras impulsan la ATP sintasa, como antes. Luego, los electrones fluyen a través del fotosistema I y luego pueden usarse para reducir la coenzima NADP + . [62] Esta coenzima puede entrar en el ciclo de Calvin , que se analiza a continuación, o reciclarse para generar más ATP. [ cita necesaria ]

Anabolismo

El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos constructivos donde la energía liberada por el catabolismo se utiliza para sintetizar moléculas complejas. En general, las moléculas complejas que forman las estructuras celulares se construyen paso a paso a partir de precursores más pequeños y simples. El anabolismo implica tres etapas básicas. En primer lugar, la producción de precursores como aminoácidos , monosacáridos , isoprenoides y nucleótidos ; en segundo lugar, su activación en formas reactivas utilizando energía del ATP y, en tercer lugar, el ensamblaje de estos precursores en moléculas complejas como proteínas , polisacáridos , lípidos y ácidos nucleicos. . [63]

El anabolismo en los organismos puede ser diferente según la fuente de moléculas construidas en sus células. Los autótrofos , como las plantas, pueden construir moléculas orgánicas complejas en sus células, como polisacáridos y proteínas, a partir de moléculas simples como dióxido de carbono y agua. Los heterótrofos , por otro lado, requieren una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para producir estas moléculas complejas. Los organismos se pueden clasificar además según la fuente final de su energía: los fotoautótrofos y los fotoheterótrofos obtienen energía de la luz, mientras que los quimioautótrofos y quimioheterótrofos obtienen energía de reacciones de oxidación. [63]

Fijacion de carbon

Células vegetales (delimitadas por paredes violetas) llenas de cloroplastos (verdes), que son el sitio de la fotosíntesis.

La fotosíntesis es la síntesis de carbohidratos a partir de la luz solar y el dióxido de carbono (CO 2 ). En las plantas, las cianobacterias y las algas, la fotosíntesis oxigenada divide el agua y produce oxígeno como producto de desecho. Este proceso utiliza el ATP y el NADPH producidos por los centros de reacción fotosintética , como se describió anteriormente, para convertir el CO 2 en glicerato 3-fosfato , que luego puede convertirse en glucosa. Esta reacción de fijación de carbono la lleva a cabo la enzima RuBisCO como parte del ciclo de Calvin-Benson . [64] En las plantas se producen tres tipos de fotosíntesis: fijación de carbono C3 , fijación de carbono C4 y fotosíntesis CAM . Estos se diferencian por la ruta que sigue el dióxido de carbono hacia el ciclo de Calvin, con las plantas C3 fijando CO 2 directamente, mientras que la fotosíntesis C4 y CAM incorporan primero el CO 2 en otros compuestos, como adaptaciones para lidiar con la luz solar intensa y las condiciones secas. [sesenta y cinco]

En los procariotas fotosintéticos los mecanismos de fijación de carbono son más diversos. Aquí, el dióxido de carbono puede fijarse mediante el ciclo de Calvin-Benson, un ciclo inverso del ácido cítrico , [66] o la carboxilación de acetil-CoA. [67] [68] Los quimioautótrofos procarióticos también fijan CO 2 a través del ciclo de Calvin-Benson, pero utilizan energía de compuestos inorgánicos para impulsar la reacción. [69]

Carbohidratos y glicanos

En el anabolismo de los carbohidratos, los ácidos orgánicos simples se pueden convertir en monosacáridos como la glucosa y luego usarse para ensamblar polisacáridos como el almidón . La generación de glucosa a partir de compuestos como piruvato , lactato , glicerol , glicerato 3-fosfato y aminoácidos se denomina gluconeogénesis . La gluconeogénesis convierte el piruvato en glucosa-6-fosfato a través de una serie de intermediarios, muchos de los cuales se comparten con la glucólisis . [43] Sin embargo, esta vía no es simplemente una glucólisis realizada a la inversa, ya que varios pasos son catalizados por enzimas no glucolíticas. Esto es importante ya que permite regular la formación y descomposición de la glucosa por separado y evita que ambas vías funcionen simultáneamente en un ciclo inútil . [70] [71]

Aunque la grasa es una forma común de almacenar energía, en vertebrados como los humanos los ácidos grasos de estas reservas no se pueden convertir en glucosa mediante gluconeogénesis , ya que estos organismos no pueden convertir acetil-CoA en piruvato ; las plantas sí, pero los animales no, tienen la maquinaria enzimática necesaria. [72] Como resultado, después de una inanición prolongada, los vertebrados necesitan producir cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos para reemplazar la glucosa en tejidos como el cerebro que no pueden metabolizar los ácidos grasos. [73] En otros organismos como plantas y bacterias, este problema metabólico se resuelve utilizando el ciclo del glioxilato , que evita el paso de descarboxilación en el ciclo del ácido cítrico y permite la transformación de acetil-CoA en oxaloacetato , donde puede usarse para la producción de glucosa. [72] [74] Aparte de la grasa, la glucosa se almacena en la mayoría de los tejidos, como un recurso energético disponible dentro del tejido a través de la glucogénesis que generalmente se utilizaba para mantener el nivel de glucosa en la sangre. [75]

Los polisacáridos y glicanos se obtienen mediante la adición secuencial de monosacáridos mediante la glicosiltransferasa de un donante de azúcar-fosfato reactivo, como la uridina difosfato de glucosa (UDP-Glc), a un grupo hidroxilo aceptor en el polisacárido en crecimiento. Como cualquiera de los grupos hidroxilo del anillo del sustrato puede ser aceptor, los polisacáridos producidos pueden tener estructuras lineales o ramificadas. [76] Los polisacáridos producidos pueden tener funciones estructurales o metabólicas por sí mismos, o ser transferidos a lípidos y proteínas mediante enzimas llamadas oligosacariltransferasas . [77] [78]

Ácidos grasos, isoprenoides y esterol.

Se muestra una versión simplificada de la ruta de síntesis de esteroides con los intermedios pirofosfato de isopentenilo (IPP), pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), pirofosfato de geranilo (GPP) y escualeno . Algunos intermedios se omiten para mayor claridad.

Los ácidos grasos se producen mediante ácidos grasos sintasas que polimerizan y luego reducen las unidades de acetil-CoA. Las cadenas de acilo en los ácidos grasos se extienden mediante un ciclo de reacciones que agregan el grupo acilo, lo reducen a un alcohol, lo deshidratan a un grupo alqueno y luego lo reducen nuevamente a un grupo alcano . Las enzimas de la biosíntesis de ácidos grasos se dividen en dos grupos: en animales y hongos, todas estas reacciones de ácido graso sintasa se llevan a cabo mediante una única proteína multifuncional de tipo I, [ 79] mientras que en plantas, plastidios y bacterias, enzimas de tipo II separadas realizan cada paso. en el camino. [80] [81]

Los terpenos y los isoprenoides son una gran clase de lípidos que incluyen los carotenoides y forman la clase más grande de productos naturales vegetales . [82] Estos compuestos se obtienen mediante el ensamblaje y modificación de unidades de isopreno donadas a partir de los precursores reactivos pirofosfato de isopentenilo y pirofosfato de dimetilalilo . [83] Estos precursores se pueden fabricar de diferentes maneras. En animales y arqueas, la vía del mevalonato produce estos compuestos a partir de acetil-CoA, [84] mientras que en plantas y bacterias la vía sin mevalonato utiliza piruvato y gliceraldehído 3-fosfato como sustratos. [83] [85] Una reacción importante que utiliza estos donantes de isopreno activados es la biosíntesis de esteroles . Aquí, las unidades de isopreno se unen para formar escualeno y luego se pliegan y forman un conjunto de anillos para producir lanosterol . [86] El lanosterol luego se puede convertir en otros esteroles como el colesterol y el ergosterol . [86] [87]

Proteínas

Los organismos varían en su capacidad para sintetizar los 20 aminoácidos comunes. La mayoría de las bacterias y plantas pueden sintetizar los veinte, pero los mamíferos sólo pueden sintetizar once aminoácidos no esenciales, por lo que nueve aminoácidos esenciales deben obtenerse de los alimentos. [10] Algunos parásitos simples , como la bacteria Mycoplasma pneumoniae , carecen de toda síntesis de aminoácidos y toman sus aminoácidos directamente de sus huéspedes. [88] Todos los aminoácidos se sintetizan a partir de intermediarios en la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico o la vía de las pentosas fosfato. El nitrógeno lo aportan el glutamato y la glutamina . La síntesis de aminoácidos no esenciales depende de la formación del alfa-cetoácido apropiado, que luego se transamina para formar un aminoácido. [89]

Los aminoácidos se convierten en proteínas al unirse en una cadena de enlaces peptídicos . Cada proteína diferente tiene una secuencia única de residuos de aminoácidos: esta es su estructura primaria . Así como las letras del alfabeto pueden combinarse para formar una variedad casi infinita de palabras, los aminoácidos pueden unirse en distintas secuencias para formar una enorme variedad de proteínas. Las proteínas se elaboran a partir de aminoácidos que se han activado mediante la unión a una molécula de ARN de transferencia a través de un enlace éster . Este precursor de aminoacil-ARNt se produce en una reacción dependiente de ATP llevada a cabo por una aminoacil-ARNt sintetasa . [90] Este aminoacil-ARNt es entonces un sustrato para el ribosoma , que une el aminoácido a la cadena proteica que se alarga, utilizando la información de secuencia en un ARN mensajero . [91]

Síntesis y rescate de nucleótidos.

Los nucleótidos se elaboran a partir de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico en vías que requieren grandes cantidades de energía metabólica. [92] En consecuencia, la mayoría de los organismos tienen sistemas eficientes para recuperar nucleótidos preformados. [92] [93] Las purinas se sintetizan como nucleósidos (bases unidas a la ribosa ). [94] Tanto la adenina como la guanina se obtienen a partir del nucleósido precursor monofosfato de inosina , que se sintetiza utilizando átomos de los aminoácidos glicina , glutamina y ácido aspártico , así como formiato transferido de la coenzima tetrahidrofolato . Las pirimidinas , en cambio, se sintetizan a partir de la base orotato , que se forma a partir de glutamina y aspartato. [95]

Xenobióticos y metabolismo redox.

Todos los organismos están constantemente expuestos a compuestos que no pueden utilizar como alimento y que serían perjudiciales si se acumularan en las células, ya que no tienen función metabólica. Estos compuestos potencialmente dañinos se llaman xenobióticos . [96] Los xenobióticos, como las drogas sintéticas , los venenos naturales y los antibióticos, se desintoxican mediante un conjunto de enzimas que metabolizan los xenobióticos. En humanos, estos incluyen citocromo P450 oxidasas , [97] UDP-glucuronosiltransferasas , [98] y glutatión S -transferasas . [99] Este sistema de enzimas actúa en tres etapas para oxidar primero el xenobiótico (fase I) y luego conjugar grupos solubles en agua en la molécula (fase II). El xenobiótico modificado soluble en agua puede luego ser bombeado fuera de las células y en organismos multicelulares puede metabolizarse aún más antes de ser excretado (fase III). En ecología , estas reacciones son particularmente importantes en la biodegradación microbiana de contaminantes y la biorremediación de tierras contaminadas y derrames de petróleo. [100] Muchas de estas reacciones microbianas se comparten con organismos multicelulares, pero debido a la increíble diversidad de tipos de microbios, estos organismos pueden lidiar con una gama mucho más amplia de xenobióticos que los organismos multicelulares y pueden degradar incluso contaminantes orgánicos persistentes como compuestos organoclorados . [101]

Un problema relacionado para los organismos aeróbicos es el estrés oxidativo . [102] Aquí, los procesos que incluyen la fosforilación oxidativa y la formación de enlaces disulfuro durante el plegamiento de proteínas producen especies reactivas de oxígeno como el peróxido de hidrógeno . [103] Estos oxidantes dañinos son eliminados por metabolitos antioxidantes como el glutatión y enzimas como catalasas y peroxidasas . [104] [105]

Termodinámica de los organismos vivos.

Los organismos vivos deben obedecer las leyes de la termodinámica , que describen la transferencia de calor y trabajo . La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier sistema aislado , la cantidad de entropía (desorden) no puede disminuir. Aunque la asombrosa complejidad de los organismos vivos parece contradecir esta ley, la vida es posible porque todos los organismos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. Los sistemas vivos no están en equilibrio , sino que son sistemas disipativos que mantienen su estado de alta complejidad provocando un mayor aumento de la entropía de sus entornos. [106] El metabolismo de una célula logra esto acoplando los procesos espontáneos del catabolismo a los procesos no espontáneos del anabolismo. En términos termodinámicos , el metabolismo mantiene el orden creando desorden. [107]

Regulación y control

Como el entorno de la mayoría de los organismos cambia constantemente, las reacciones del metabolismo deben regularse con precisión para mantener un conjunto constante de condiciones dentro de las células, una condición llamada homeostasis . [108] [109] La regulación metabólica también permite a los organismos responder a señales e interactuar activamente con su entorno. [110] Dos conceptos estrechamente relacionados son importantes para comprender cómo se controlan las vías metabólicas. En primer lugar, la regulación de una enzima en una vía es cómo aumenta y disminuye su actividad en respuesta a señales. En segundo lugar, el control ejercido por esta enzima es el efecto que estos cambios en su actividad tienen sobre la velocidad general de la vía (el flujo a través de la vía). [111] Por ejemplo, una enzima puede mostrar grandes cambios en su actividad ( es decir, está altamente regulada), pero si estos cambios tienen poco efecto en el flujo de una vía metabólica, entonces esta enzima no participa en el control de la vía. [112]

Efecto de la insulina sobre la captación y el metabolismo de la glucosa. La insulina se une a su receptor (1), lo que a su vez inicia muchas cascadas de activación de proteínas (2). Estos incluyen: translocación del transportador Glut-4 a la membrana plasmática y afluencia de glucosa (3), síntesis de glucógeno (4), glucólisis (5) y síntesis de ácidos grasos (6). [ se necesita referencia de imagen ]

Hay múltiples niveles de regulación metabólica. En la regulación intrínseca, la vía metabólica se autorregula para responder a cambios en los niveles de sustratos o productos; por ejemplo, una disminución en la cantidad de producto puede aumentar el flujo a través de la vía para compensar. [111] Este tipo de regulación a menudo implica la regulación alostérica de las actividades de múltiples enzimas en la vía. [113] El control extrínseco implica que una célula de un organismo multicelular cambie su metabolismo en respuesta a señales de otras células. Estas señales suelen adoptar la forma de mensajeros solubles en agua, como hormonas y factores de crecimiento , y son detectadas por receptores específicos en la superficie celular. [114] Estas señales luego se transmiten dentro de la célula mediante sistemas de segundos mensajeros que a menudo implican la fosforilación de proteínas. [115]

Un ejemplo muy bien comprendido de control extrínseco es la regulación del metabolismo de la glucosa por la hormona insulina . [116] La insulina se produce en respuesta a aumentos en los niveles de glucosa en sangre . La unión de la hormona a los receptores de insulina en las células activa una cascada de proteínas quinasas que hacen que las células absorban glucosa y la conviertan en moléculas de almacenamiento como ácidos grasos y glucógeno . [117] El metabolismo del glucógeno está controlado por la actividad de la fosforilasa , la enzima que descompone el glucógeno, y la glucógeno sintasa , la enzima que lo produce. Estas enzimas están reguladas de forma recíproca: la fosforilación inhibe la glucógeno sintasa, pero activa la fosforilasa. La insulina provoca la síntesis de glucógeno activando las proteínas fosfatasas y produciendo una disminución en la fosforilación de estas enzimas. [118]

Evolución

Árbol evolutivo que muestra la ascendencia común de organismos de los tres dominios de la vida. Las bacterias son de color azul, las eucariotas de rojo y las arqueas de verde. Alrededor del árbol se muestran las posiciones relativas de algunos de los filos incluidos.

Las vías centrales del metabolismo descritas anteriormente, como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, están presentes en los tres dominios de los seres vivos y estuvieron presentes en el último ancestro común universal . [3] [119] Esta célula ancestral universal era procariótica y probablemente un metanógeno que tenía un extenso metabolismo de aminoácidos, nucleótidos, carbohidratos y lípidos. [120] [121] La retención de estas vías antiguas durante la evolución posterior puede ser el resultado de que estas reacciones hayan sido una solución óptima a sus problemas metabólicos particulares, con vías como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico produciendo sus productos finales de manera muy eficiente y eficiente. en un número mínimo de pasos. [4] [5] Las primeras vías del metabolismo basado en enzimas pueden haber sido partes del metabolismo de los nucleótidos de purina , mientras que las vías metabólicas anteriores eran parte del antiguo mundo del ARN . [122]

Se han propuesto muchos modelos para describir los mecanismos mediante los cuales evolucionan nuevas vías metabólicas. Estos incluyen la adición secuencial de nuevas enzimas a una vía ancestral corta, la duplicación y luego la divergencia de vías enteras, así como el reclutamiento de enzimas preexistentes y su ensamblaje en una nueva vía de reacción. [123] La importancia relativa de estos mecanismos no está clara, pero los estudios genómicos han demostrado que es probable que las enzimas en una vía tengan un ancestro compartido, lo que sugiere que muchas vías han evolucionado paso a paso con nuevas funciones creadas a partir de pre -pasos existentes en el camino. [124] Un modelo alternativo proviene de estudios que rastrean la evolución de las estructuras de las proteínas en las redes metabólicas, lo que ha sugerido que las enzimas se reclutan de manera generalizada, tomando prestadas enzimas para realizar funciones similares en diferentes vías metabólicas (evidente en la base de datos MANET ) [125] Estos procesos de reclutamiento dan como resultado un mosaico enzimático evolutivo. [126] Una tercera posibilidad es que algunas partes del metabolismo puedan existir como "módulos" que puedan reutilizarse en diferentes vías y realizar funciones similares en diferentes moléculas. [127]

Además de la evolución de nuevas vías metabólicas, la evolución también puede provocar la pérdida de funciones metabólicas. Por ejemplo, en algunos parásitos se pierden procesos metabólicos que no son esenciales para la supervivencia y, en cambio, los aminoácidos, nucleótidos y carbohidratos preformados pueden ser eliminados del huésped . [128] Se observan capacidades metabólicas reducidas similares en organismos endosimbióticos . [129]

Investigación y manipulación

Red metabólica del ciclo del ácido cítrico de Arabidopsis thaliana . Las enzimas y los metabolitos se muestran como cuadrados rojos y las interacciones entre ellos como líneas negras.

Clásicamente, el metabolismo se estudia mediante un enfoque reduccionista que se centra en una única vía metabólica. Particularmente valioso es el uso de trazadores radiactivos a nivel de organismo completo, tejido y celular, que definen los caminos desde los precursores hasta los productos finales mediante la identificación de productos intermedios y productos marcados radiactivamente. [130] Las enzimas que catalizan estas reacciones químicas pueden luego purificarse e investigarse su cinética y respuestas a los inhibidores . Un enfoque paralelo consiste en identificar las moléculas pequeñas en una célula o tejido; el conjunto completo de estas moléculas se denomina metaboloma . En general, estos estudios dan una buena visión de la estructura y función de vías metabólicas simples, pero son inadecuados cuando se aplican a sistemas más complejos como el metabolismo de una célula completa. [131]

Una idea de la complejidad de las redes metabólicas en las células que contienen miles de enzimas diferentes la da la figura de la derecha que muestra las interacciones entre sólo 43 proteínas y 40 metabolitos: las secuencias de genomas proporcionan listas que contienen hasta 26.500 genes. [132] Sin embargo, ahora es posible utilizar estos datos genómicos para reconstruir redes completas de reacciones bioquímicas y producir modelos matemáticos más holísticos que puedan explicar y predecir su comportamiento. [133] Estos modelos son especialmente potentes cuando se utilizan para integrar los datos de la vía y los metabolitos obtenidos mediante métodos clásicos con datos sobre la expresión génica de estudios proteómicos y de microarrays de ADN . [134] Utilizando estas técnicas, ahora se ha producido un modelo del metabolismo humano, que guiará el futuro descubrimiento de fármacos y la investigación bioquímica. [135] Estos modelos ahora se utilizan en análisis de redes , para clasificar enfermedades humanas en grupos que comparten proteínas o metabolitos comunes. [136] [137]

Las redes metabólicas bacterianas son un ejemplo sorprendente de organización en forma de pajarita [138] [139] [140] , una arquitectura capaz de introducir una amplia gama de nutrientes y producir una gran variedad de productos y macromoléculas complejas utilizando relativamente pocas monedas comunes intermedias. [141]

Una aplicación tecnológica importante de esta información es la ingeniería metabólica . Aquí, organismos como levaduras , plantas o bacterias se modifican genéticamente para hacerlos más útiles en biotecnología y ayudar a la producción de fármacos como antibióticos o productos químicos industriales como el 1,3-propanodiol y el ácido shikímico . [142] [143] [144] Estas modificaciones genéticas generalmente tienen como objetivo reducir la cantidad de energía utilizada para producir el producto, aumentar los rendimientos y reducir la producción de desechos. [145]

Historia

El término metabolismo se deriva de la palabra griega antigua μεταβολή – "Metabole" para "un cambio", que deriva de μεταβάλλ – "Metaballein" significa "cambiar" [146]

El metabolismo de Aristóteles como modelo de flujo abierto.

filosofía griega

Las partes de los animales de Aristóteles exponen suficientes detalles de sus puntos de vista sobre el metabolismo para poder elaborar un modelo de flujo abierto. Creía que en cada etapa del proceso, los materiales de los alimentos se transformaban, liberándose calor como elemento clásico del fuego y excretándose los materiales residuales en forma de orina, bilis o heces. [147]

Ibn al-Nafis describió el metabolismo en su obra de 1260 d.C. titulada Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (El Tratado de Kamil sobre la biografía del Profeta) que incluía la siguiente frase "Tanto el cuerpo como sus partes están en un estado continuo de disolución y nutrición, por lo que inevitablemente están experimentando un cambio permanente". [148]

Aplicación del método científico y teorías metabólicas modernas.

La historia del estudio científico del metabolismo abarca varios siglos y ha pasado del examen de animales completos en los primeros estudios al examen de reacciones metabólicas individuales en la bioquímica moderna. Los primeros experimentos controlados sobre el metabolismo humano fueron publicados por Santorio Santorio en 1614 en su libro Ars de statica medicina . [149] Describió cómo se pesaba antes y después de comer, dormir , trabajar, tener relaciones sexuales, ayunar, beber y excretar. Descubrió que la mayor parte de los alimentos que ingería se perdía a través de lo que llamó " transpiración insensible ".

Santorio Santorio en su balanza de acero, de Ars de statica medicina , publicado por primera vez en 1614

En estos primeros estudios, no se habían identificado los mecanismos de estos procesos metabólicos y se pensaba que una fuerza vital animaba el tejido vivo. [150] En el siglo XIX, al estudiar la fermentación del azúcar a alcohol por la levadura , Louis Pasteur concluyó que la fermentación era catalizada por sustancias dentro de las células de levadura que llamó "fermentos". Escribió que "la fermentación alcohólica es un acto correlacionado con la vida y organización de las células de levadura, no con la muerte o putrefacción de las células". [151] Este descubrimiento, junto con la publicación por Friedrich Wöhler en 1828 de un artículo sobre la síntesis química de la urea , [152] se destaca por ser el primer compuesto orgánico preparado a partir de precursores totalmente inorgánicos. Esto demostró que los compuestos orgánicos y las reacciones químicas que se encuentran en las células no eran diferentes, en principio, de cualquier otra parte de la química.

Fue el descubrimiento de las enzimas a principios del siglo XX por Eduard Buchner lo que separó el estudio de las reacciones químicas del metabolismo del estudio biológico de las células, y marcó los inicios de la bioquímica . [153] La masa de conocimiento bioquímico creció rápidamente a lo largo de principios del siglo XX. Uno de los bioquímicos modernos más prolíficos fue Hans Krebs , quien hizo enormes contribuciones al estudio del metabolismo. [154] Descubrió el ciclo de la urea y más tarde, trabajando con Hans Kornberg , el ciclo del ácido cítrico y el ciclo del glioxilato. [155] [156] [74] La investigación bioquímica moderna se ha visto muy favorecida por el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía , la difracción de rayos X , la espectroscopia de RMN , el marcaje radioisotópico , la microscopía electrónica y las simulaciones de dinámica molecular . Estas técnicas han permitido el descubrimiento y el análisis detallado de numerosas moléculas y vías metabólicas en las células. [ cita necesaria ]

Ver también

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Otras lecturas

Introductorio

Avanzado

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