Los metabolitos dañados pueden producirse por promiscuidad enzimática o por reacciones químicas espontáneas. Muchos metabolitos son químicamente reactivos e inestables y pueden reaccionar con otros componentes celulares o sufrir modificaciones no deseadas. Los metabolitos dañados enzimática o químicamente son siempre inútiles y, a menudo, tóxicos. Para evitar la toxicidad que puede producirse por la acumulación de metabolitos dañados, los organismos tienen sistemas de control de daños que:
Los sistemas de control de daños pueden involucrar una o más enzimas específicas . [1] [2]
De manera similar al ADN y las proteínas , los metabolitos son propensos a sufrir daños, que pueden ocurrir de manera química o por promiscuidad enzimática. Se sabe mucho menos sobre el daño causado por los metabolitos que sobre el daño causado al ADN y las proteínas, en parte debido a la enorme variedad y cantidad de metabolitos propensos a sufrir daños.
Muchos metabolitos son químicamente reactivos e inestables, y por lo tanto propensos a sufrir daños químicos. En general, cualquier reacción que ocurre in vitro en condiciones fisiológicas también puede ocurrir in vivo . [3] [4] Algunos metabolitos son tan reactivos que su vida media en una célula se mide en minutos. [2] Por ejemplo, el intermedio glucolítico ácido 1,3-bisfosfoglicérico tiene una vida media de 27 minutos in vivo . [5] Los tipos típicos de reacciones de daño químico que pueden ocurrir a los metabolitos son racemización , reordenamiento , eliminación , fotodisociación , adición y condensación .
Aunque las enzimas son generalmente específicas hacia su sustrato, las actividades secundarias enzimáticas ( promiscuidad enzimática ) pueden dar lugar a productos tóxicos o inútiles. Estas reacciones secundarias se producen a un ritmo mucho menor que sus reacciones fisiológicas normales, pero la acumulación de metabolitos dañados puede ser significativa con el tiempo. Por ejemplo, la malato deshidrogenasa mitocondrial reduce el alfa-cetoglutarato a L-2-hidroxiglutarato 10 7 veces menos eficientemente que su sustrato habitual oxaloacetato , pero el L-2-hidroxiglutarato puede acumularse hasta varios gramos por día en un adulto humano. [6]
Los sistemas de control de daños por metabolitos se dividen en tres categorías diferentes:
La reparación de daños es la conversión de un metabolito dañado a su estado original a través de una o más reacciones enzimáticas; el concepto es similar a la reparación del ADN y la reparación de proteínas. Por ejemplo, la actividad promiscua de la malato deshidrogenasa provoca la reducción del alfa-cetoglutarato a L-2-hidroxiglutarato. Este compuesto es un metabolito sin salida y no es un sustrato para ninguna otra enzima en el metabolismo central, y su acumulación en humanos causa aciduria L-2-hidroxiglutárica . La enzima reparadora L-2-hidroxiglutarato deshidrogenasa oxida el L-2-hidroxiglutarato de nuevo a alfa-cetoglutarato , reparando así este metabolito. En humanos, la L-2-hidroxiglutarato deshidrogenasa utiliza FAD como cofactor, mientras que la enzima E. coli reduce el oxígeno molecular. [7]
La prevención evita que se produzcan daños. Esto se hace convirtiendo los metabolitos reactivos en otros menos dañinos o acelerando una reacción química que no es lo suficientemente rápida. El metabolito reactivo puede ser un producto secundario o un intermediario normal, pero altamente reactivo .
Por ejemplo, una actividad secundaria de la Rubisco produce pequeñas cantidades de xilulosa-1,5-bisfosfato, que puede inhibir la actividad de la Rubisco. La enzima CbbY desfosforila la xilulosa-1,5-bisfosfato al metabolito natural xilulosa-5-fosfato, lo que evita la inhibición de la Rubisco. [8]
El desbordamiento dirigido es un caso especial de prevención de daños, en el que el exceso de un metabolito normal, pero reactivo, podría dar lugar a productos tóxicos. La prevención de este exceso es, por tanto, la prevención de posibles daños.
Los dos primeros intermediarios en la biosíntesis de la riboflavina son altamente reactivos y pueden descomponerse espontáneamente en 5-fosforribosilamina y productos de la reacción de Maillard , que son altamente reactivos y dañinos. La enzima COG3236 hidroliza estos dos primeros intermediarios en dos productos menos dañinos, evitando así el daño que de otra manera causarían. [9]
En los seres humanos, la aciduria L-2-hidroxiglutárica fue la primera enfermedad relacionada con la falta de una enzima reparadora de metabolitos. [7] Las mutaciones en el gen L2HGDH provocan la acumulación de L-2-hidroxiglutarato, que es un análogo estructural del glutamato y el alfa-cetoglutarato y presumiblemente inhibe otras enzimas o transportadores. [7]
El modelado de redes metabólicas tiene como objetivo reproducir el metabolismo celular in silico . El daño y la reparación de metabolitos generan costos de energía celular y, en consecuencia, deben incorporarse en modelos metabólicos a escala del genoma para que estos modelos puedan guiar de manera más efectiva el diseño de ingeniería metabólica . [1]
Además, los genes que codifican sistemas de control de daños de metabolitos no reconocidos hasta ahora pueden constituir una fracción significativa de los muchos genes conservados de función desconocida que se encuentran en los genomas de todos los organismos. [1] [2]
Cuando se instala una vía extraña en un organismo anfitrión ('chasis'), e incluso cuando se regula positivamente de forma masiva una vía nativa, los intermediarios reactivos pueden acumularse hasta niveles que afectan negativamente la viabilidad, el crecimiento y el flujo a través de la vía porque no existe un sistema de control de daños correspondiente o este se ha visto desbordado. [10] Por lo tanto, es posible que se necesiten sistemas de control de daños de ingeniería para respaldar proyectos de biología sintética e ingeniería metabólica. [11]