El flujo o flujo metabólico es la tasa de renovación de moléculas a través de una vía metabólica. El flujo está regulado por las enzimas involucradas en una vía. Dentro de las células, la regulación del flujo es vital para que todas las vías metabólicas regulen la actividad de la vía en diferentes condiciones. [1] El flujo es, por lo tanto, de gran interés en el modelado de redes metabólicas, donde se analiza mediante análisis de balance de flujo .
De esta manera, el flujo es el movimiento de la materia a través de redes metabólicas que están conectadas por metabolitos y cofactores y, por lo tanto, es una forma de describir la actividad de la red metabólica en su conjunto utilizando una única característica.
Flujo metabólico
Es más fácil describir el flujo de metabolitos a través de una vía considerando los pasos de reacción individualmente. El flujo de metabolitos a través de cada reacción (J) es la velocidad de la reacción directa (V f ), menos la de la reacción inversa (V r ): [2]
En equilibrio, no hay flujo. Además, se observa que a lo largo de una ruta de estado estacionario, el flujo suele estar determinado por la etapa de determinación de la velocidad de la reacción.
Control del flujo metabólico
El control del flujo a través de una vía metabólica requiere que
- El flujo metabólico en el paso de determinación de la velocidad varía según las necesidades metabólicas del organismo.
- El cambio de flujo que se produce debido al requisito anterior se comunica al resto de la vía metabólica para mantener un estado estable. [2]
Redes metabólicas
El metabolismo celular está representado por un gran número de reacciones metabólicas que implican la conversión de la fuente de carbono (generalmente glucosa ) en los componentes básicos necesarios para la biosíntesis macromolecular . Estas reacciones forman redes metabólicas dentro de las células. Estas redes se pueden utilizar entonces para estudiar el metabolismo dentro de las células.
Para permitir que estas redes interactúen, es necesaria una estrecha conexión entre ellas. Esta conexión se proporciona mediante el uso de cofactores comunes como ATP , ADP , NADH y NADPH . Además de esto, compartir algunos metabolitos entre las diferentes redes refuerza aún más las conexiones entre las diferentes redes.
Control de redes metabólicas
Las redes metabólicas existentes controlan el movimiento de moléculas a través de sus pasos enzimáticos regulando las enzimas que catalizan reacciones irreversibles. El movimiento de moléculas a través de pasos reversibles generalmente no está regulado por enzimas, sino más bien regulado por la concentración de productos y reactivos. [3] Las reacciones irreversibles en los pasos regulados de una vía tienen un cambio de energía libre negativo, lo que promueve reacciones espontáneas en una sola dirección. Las reacciones reversibles tienen un cambio de energía libre nulo o muy pequeño. Como resultado, el movimiento de moléculas a través de una red metabólica se rige por equilibrios químicos simples (en pasos reversibles), con enzimas clave específicas que están sujetas a regulación (en pasos irreversibles). Esta regulación enzimática puede ser indirecta, en el caso de que una enzima esté regulada por algún mecanismo de señalización celular (como la fosforilación), o puede ser directa, como en el caso de la regulación alostérica , donde se unen metabolitos de una porción diferente de una red metabólica. directamente y afectan la función catalítica de otras enzimas para mantener la homeostasis .
Flujos y genotipo
Los flujos metabólicos son una función de la expresión génica , la traducción , las modificaciones proteicas postraduccionales y las interacciones proteína- metabolito . [4]
Flujos y fenotipo
La función del metabolismo del carbono central (metabolismo de la glucosa) se ha ajustado para satisfacer exactamente las necesidades de los componentes básicos y la energía libre de Gibbs junto con el crecimiento celular. Por lo tanto, existe una estricta regulación de los flujos a través del metabolismo central del carbono.
El flujo en una reacción se puede definir basándose en una de tres cosas
- La actividad de la enzima que cataliza la reacción.
- Las propiedades de la enzima
- La concentración de metabolitos que afecta la actividad enzimática. [4]
Teniendo en cuenta lo anterior, los flujos metabólicos pueden describirse como la última representación del fenotipo celular cuando se expresan en determinadas condiciones.
Funciones del flujo metabólico en las células.
Regulación del crecimiento de células de mamíferos.
La investigación ha demostrado que las células que experimentan un crecimiento rápido han mostrado cambios en su metabolismo. [5] Estos cambios se observan con respecto al metabolismo de la glucosa . Los cambios en el metabolismo ocurren porque la velocidad del metabolismo controla varias vías de transducción de señales que coordinan la activación de los factores de transcripción y determinan el progreso del ciclo celular.
Las células en crecimiento requieren la síntesis de nuevos nucleótidos, membranas y componentes proteicos. [4] [5] Estos materiales pueden obtenerse del metabolismo del carbono (por ejemplo, metabolismo de la glucosa) o del metabolismo periférico. El flujo mejorado observado en las células que crecen anormalmente es provocado por una alta absorción de glucosa.
Cáncer
El flujo metabólico y, más específicamente, cómo se ve afectado el metabolismo debido a cambios en las diversas vías, ha cobrado mayor importancia desde que se observó que las células tumorales exhiben un metabolismo de glucosa mejorado en comparación con las células normales. [5] Mediante el estudio de estos cambios, es posible comprender mejor los mecanismos del crecimiento celular y, cuando sea posible, desarrollar tratamientos para contrarrestar los efectos del metabolismo mejorado.
Medición de flujos
Hay varias formas de medir los flujos, sin embargo, todas son indirectas. Debido a esto, estos métodos hacen una suposición clave que es que todos los flujos en un grupo de metabolitos intracelulares dado equilibran todos los flujos fuera del grupo. [4]
Esta suposición significa que para una red metabólica determinada, los equilibrios alrededor de cada metabolito imponen una serie de limitaciones al sistema.
Las técnicas que se utilizan actualmente giran principalmente en torno al uso de resonancia magnética nuclear ( RMN ) o cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS).
Con el fin de evitar la complejidad de análisis de datos, un método más simple de estimar ratios de flujo se ha desarrollado recientemente que se basa en cofeeding etiquetarse y uniformemente 13 C glucosa marcada. Los patrones intermedios metabólicos se analizan luego usando espectroscopia de RMN . Este método también se puede utilizar para determinar las topologías de la red metabólica.
Ver también
Referencias
- ^ Voet, Donald ; Voet, Judith G. (1995). Bioquímica (2ª ed.). J. Wiley & Sons. pag. 439. ISBN 978-0471586517.
- ^ a b Voet, Donald; Voet, Judith G. (2011). Bioquímica (4ª ed.). John Wiley e hijos. pag. 620. ISBN 978-0-470-57095-1.
- ^ Nelson, David L .; Cox, Michael M. (2004). Principios de bioquímica de Lehninger (4ª ed.). WH Freeman. págs. 571, 592. ISBN 978-0-71674339-2.
- ^ a b c d Nielsen, J (diciembre de 2003). "Se trata de flujos metabólicos" . J Bacteriol . 185 (24): 7031–5. doi : 10.1128 / jb.185.24.7031-7035.2003 . PMC 296266 . PMID 14645261 .
- ^ a b c Locasale, JW; Cantley, LC (5 de octubre de 2011). "Flujo metabólico y la regulación del crecimiento de células de mamíferos" . Cell Metab . 14 (4): 443–51. doi : 10.1016 / j.cmet.2011.07.014 . PMC 3196640 . PMID 21982705 .